輸油管道設計及管理22

1、一、管路的壓降計算一、管路的壓降計算根據(jù)流體力學理論，輸油管道的總壓降可表示為：根據(jù)流體力學理論，輸油管道的總壓降可表示為： QjLzzhhH 其中：其中：hL為沿程摩阻為沿程摩阻 h為局部摩阻為局部摩阻 (zj-zQ) 為計算高程差為計算高程差 第二節(jié)第二節(jié) 輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失二、水力摩阻系數(shù)的計算二、水力摩阻系數(shù)的計算 計算長輸管道的摩阻損失主要是計算沿程摩阻損失計算長輸管道的摩阻損失主要是計算沿程摩阻損失 hL 。達西公式達西公式 ：gVDLhL22 對于一條給定的長輸管道，對于一條給定的長輸管道，L和和D都是已知的，輸量（或都是已知的，輸量（或流速）也是已知的，現(xiàn)在的

2、問題就是如何計算水力摩阻流速）也是已知的，現(xiàn)在的問題就是如何計算水力摩阻系數(shù)系數(shù) 。 根據(jù)流體力學理論根據(jù)流體力學理論 Def，Re 其中：其中：e為管壁的絕對粗糙度，為管壁的絕對粗糙度，D為管道內(nèi)徑。為管道內(nèi)徑。 是是Re和和e/D 的二元函數(shù)，具體的函數(shù)關系視流態(tài)而定。的二元函數(shù)，具體的函數(shù)關系視流態(tài)而定。在解決工程實際問題時，為了安全，一般盡量避開過渡區(qū)，在解決工程實際問題時，為了安全，一般盡量避開過渡區(qū)，因該區(qū)的流態(tài)不穩(wěn)定。因該區(qū)的流態(tài)不穩(wěn)定。輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失流態(tài)：分為層流和紊流，中間還存在一個過濾區(qū)。流態(tài)：分為層流和紊流，中間還存在一個過濾區(qū)。1、流態(tài)劃分和輸油管

3、道的常見流態(tài)、流態(tài)劃分和輸油管道的常見流態(tài) 層流：層流：Re2000 過渡流：過渡流：2000Re3000 紊流光滑區(qū)：紊流光滑區(qū)：3000ReRe1 （簡稱光滑區(qū)）簡稱光滑區(qū)） 紊流混合摩擦區(qū)：紊流混合摩擦區(qū)：Re1Re2 （簡稱粗糙區(qū)）簡稱粗糙區(qū)）我國輸油管道工程設計規(guī)范規(guī)定的流態(tài)劃分標準是：我國輸油管道工程設計規(guī)范規(guī)定的流態(tài)劃分標準是：其中：其中：輸油管道中所遇到的流態(tài)一般為：輸油管道中所遇到的流態(tài)一般為： 熱含蠟原油管道、大直徑輕質(zhì)成品油管道：水力光滑區(qū)熱含蠟原油管道、大直徑輕質(zhì)成品油管道：水力光滑區(qū) 小直徑輕質(zhì)成品油管道：混合摩擦區(qū)小直徑輕質(zhì)成品油管道：混合摩擦區(qū) 高粘原油和燃料油管

4、道：層流區(qū)高粘原油和燃料油管道：層流區(qū) 長輸管道一般很少工作在粗糙區(qū)。長輸管道一般很少工作在粗糙區(qū)。7817 .59Re lg765665Re2 De2 輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失2、管壁粗糙度的確定、管壁粗糙度的確定 管壁粗糙度管壁粗糙度 ：相對粗糙度：絕對粗糙度與管內(nèi)徑的比值相對粗糙度：絕對粗糙度與管內(nèi)徑的比值(e/D或或2e/D)。 絕對粗糙度：管內(nèi)壁面突起高度的統(tǒng)計平均值。絕對粗糙度：管內(nèi)壁面突起高度的統(tǒng)計平均值。紊流各區(qū)分界雷諾數(shù)紊流各區(qū)分界雷諾數(shù)Re1、Re2及水力摩阻系數(shù)都與管壁粗糙及水力摩阻系數(shù)都與管壁粗糙度有關。我國輸油管道工程設計規(guī)范中規(guī)定的各種管子度有關。我國輸

5、油管道工程設計規(guī)范中規(guī)定的各種管子的絕對粗糙度如下：的絕對粗糙度如下： 無縫鋼管：無縫鋼管：0.06mm直縫鋼管：直縫鋼管：0.054mm 螺旋焊縫鋼管：螺旋焊縫鋼管：DN=250350時取時取0.125mm DN400時取時取0.1mm3.紊流區(qū)臨界雷諾數(shù)紊流區(qū)臨界雷諾數(shù)Re1和和Re2的確定的確定 紊流區(qū)分為水力光滑區(qū)、混合摩擦區(qū)和完全粗糙區(qū)，劃分紊流區(qū)分為水力光滑區(qū)、混合摩擦區(qū)和完全粗糙區(qū)，劃分的依據(jù)是臨界雷諾數(shù)的依據(jù)是臨界雷諾數(shù)Re1和和Re2 。 層流邊界層厚度的表達式層流邊界層厚度的表達式 ： Ve86 .10 Re30D 水力光滑區(qū)水力光滑區(qū):混合摩擦區(qū)混合摩擦區(qū):粗糙區(qū)粗糙區(qū):

6、3/ ee 157. 0/ ee 3/157. 0 ee 取取 eRDeee 1303 按紊流光滑區(qū)的按紊流光滑區(qū)的Blasius公式計算：公式計算： 25. 01Re/3164. 0 代入邊界層厚度計算公式，得代入邊界層厚度計算公式，得eD/30Re3164. 0Re325. 011 令令 De/2則則78/22.59Re1 輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失取取 157. 0/ ee 2)lg274. 1( 代入邊界層厚度計算公式，得代入邊界層厚度計算公式，得 157. 0Relg274. 13021 eD 輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失規(guī)范上取規(guī)范上取 78/7.59Re1 ，這

7、就是，這就是Re1的來歷。的來歷。(混摩區(qū)與粗糙區(qū)的分界相對粗糙度混摩區(qū)與粗糙區(qū)的分界相對粗糙度)(粗糙區(qū)摩阻系數(shù)計算公式粗糙區(qū)摩阻系數(shù)計算公式)從而得到：從而得到： / )lg274. 1(2 .382Re2 / )lg765665( 當雷諾數(shù)當雷諾數(shù)Re處于分界雷諾數(shù)附近時，處于分界雷諾數(shù)附近時，e的取值相當重要，的取值相當重要，不同的不同的e值可能導致流態(tài)判別的不同。值可能導致流態(tài)判別的不同。 如某條管道如某條管道Re=5105，若取若取e=0.1mm，則則Re1=6.7105，ReRe1，為混合摩擦區(qū)。為混合摩擦區(qū)。輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失有人認為上述有人認為上述Re1和和

8、Re2的計算方法適用于口徑較小、粗糙度的計算方法適用于口徑較小、粗糙度較大的輸油管道。隨著輸油管道口徑的增大和制管工藝的提較大的輸油管道。隨著輸油管道口徑的增大和制管工藝的提高高, e變小，再用上面的公式計算就會與實際相差較大，這時變小，再用上面的公式計算就會與實際相差較大，這時可以采用下式計算可以采用下式計算:DeRe101 DeRe5002 該式計算的該式計算的Re1值比前面公式小，即紊流光滑區(qū)的范圍縮小了。值比前面公式小，即紊流光滑區(qū)的范圍縮小了。 78/7 .59Re1 / )lg765665(Re2 我國目前采用我國目前采用的計算公式為的計算公式為輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失

9、4、水力摩阻系數(shù)的計算、水力摩阻系數(shù)的計算 我國輸油管道工程設計規(guī)范規(guī)定的各區(qū)水力摩阻系數(shù)的計算公式見下表：我國輸油管道工程設計規(guī)范規(guī)定的各區(qū)水力摩阻系數(shù)的計算公式見下表： 流態(tài)流態(tài) 劃分范圍劃分范圍 f(Re,) 層流層流 Re2000 =64/Re紊紊流流水力光滑區(qū)水力光滑區(qū) 3000ReRe1=混合摩擦區(qū)混合摩擦區(qū) ReRe2=7/87 .59 7/87 .59 lg765665 51.2Relg21 25. 0Re3164. 0 時時當當510Re 2lg274. 11 普朗特普朗特-卡卡門公式門公式勃拉休斯勃拉休斯公式公式科爾布魯克科爾布魯克- -懷特公式懷特公式尼古拉茲尼古拉茲公式

10、公式 Re51. 27 . 3lg21D25.0Re6811.0 De 阿爾特舒利阿爾特舒利- -卡利聰公式卡利聰公式除了上表中規(guī)定的計算公式外，還有計算結果相近的其他公式，分別是：除了上表中規(guī)定的計算公式外，還有計算結果相近的其他公式，分別是：水力光滑區(qū)的米勒公式：水力光滑區(qū)的米勒公式：53. 1Relg8 . 11 混合摩擦區(qū)的伊莎耶夫公式：混合摩擦區(qū)的伊莎耶夫公式：粗糙區(qū)的謝夫林松公式：粗糙區(qū)的謝夫林松公式：25. 011. 0 De 11.14 .7Re8 .6lg8 .11 由各區(qū)的由各區(qū)的計算公式可以看出：計算公式可以看出：紊流光滑區(qū)紊流光滑區(qū): 層流邊層厚度層流邊層厚度e3e，只

11、與只與Re有關，與粗糙有關，與粗糙度無關；度無關； 混合摩擦區(qū)：混合摩擦區(qū)： 0.157ee3e，=f(Re,e/D)，與與Re和粗糙度有和粗糙度有關；關；完全粗糙區(qū)：完全粗糙區(qū)：層流邊層很薄，粗糙突起幾乎全部暴露于層層流邊層很薄，粗糙突起幾乎全部暴露于層流邊層之外，流邊層之外，只與只與e/D有關，而與有關，而與Re無關，無關，摩阻與流速（流量）的平方成正比，故粗糙摩阻與流速（流量）的平方成正比，故粗糙區(qū)又叫阻力平方區(qū)。區(qū)又叫阻力平方區(qū)。輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失三、流量壓降綜合計算公式三、流量壓降綜合計算公式列賓宗公式列賓宗公式 1、列賓宗公式、列賓宗公式 LDQvhmmmL 52

12、 mARe DQ4Re 24DQV 代入達西公式代入達西公式、和和把把令令gAmm 248 LDQgAhmmmmmL 52248 整理得整理得即得到列賓宗公式：即得到列賓宗公式： 627. 0lg127. 010 de 流態(tài)流態(tài)Am 層流層流641 4.15紊紊流流水力光滑區(qū)水力光滑區(qū)0.31640.25 0.0246混合摩擦區(qū)混合摩擦區(qū) 0.123 0.0802A粗糙區(qū)粗糙區(qū)00.0826不同流態(tài)下的不同流態(tài)下的A、m、值值輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失四、管路的水力坡降四、管路的水力坡降 定義：定義：管道單位長度上的摩阻損失稱為水力坡降。用管道單位長度上的摩阻損失稱為水力坡降。用 i

13、 表示：表示： mmmDQi 52 gVDi212 或或1、等溫輸油管的干線水力坡降、等溫輸油管的干線水力坡降水力坡降與管道長度無關，只隨流量、粘度、管徑和流態(tài)不同而不同。水力坡降與管道長度無關，只隨流量、粘度、管徑和流態(tài)不同而不同。ABC hLLimmDvf 5 mfQi 2在計算和分析中經(jīng)常用到單位輸量在計算和分析中經(jīng)常用到單位輸量(Q=1m3/s)的水力坡降的水力坡降f，即單位流量，即單位流量下、單位管道長度上的摩阻損失：下、單位管道長度上的摩阻損失：2、副管的水力坡降、副管的水力坡降 iiif 或或 i1D、Q、iD、Q1、i1D、Q2、ifD、Q、iLf21QQQ fii 1特點：特

14、點：副管：與主管并聯(lián)相接的管段。副管：與主管并聯(lián)相接的管段。11)2(25211 mmmfmfDDQQiiii假設副管與主管流態(tài)相同，假設副管與主管流態(tài)相同，fmfmmfmmmLDQLDQ 522521 得得由由fii 11252QDDQmmf 從從而而得得125211QDDQQQmmf 輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失由于由于 1 ，所以只要鋪設副管總有減阻效果。所以只要鋪設副管總有減阻效果。 fDD 若若m 221 ，則，則層流：層流： iimf5 . 05 . 01 ， 光滑區(qū)：光滑區(qū)： iimf297.0297.025.0 ， 混摩區(qū)：混摩區(qū)：iimf272.0272.0123.0

15、 ， 粗糙區(qū)：粗糙區(qū)：iimf25.025.00 ， 也就是說，隨也就是說，隨Re的升高，鋪副管的減阻效果增強的升高，鋪副管的減阻效果增強 。輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失iif 即即3.變徑管的水力坡降變徑管的水力坡降 D ，QD0，Q mDDii500ii 0變徑管具有減阻效果；變徑管具有減阻效果； ，時時，10 DD變徑管具有增阻作用。變徑管具有增阻作用。 ，時時，10 DD若主管與變徑管流態(tài)相同，則有：若主管與變徑管流態(tài)相同，則有：變徑管：與主管串聯(lián)相接且直徑與主管不同的管段。變徑管：與主管串聯(lián)相接且直徑與主管不同的管段。五、管路的工作特性五、管路的工作特性 定義：定義： 已定管

16、路（已定管路（D , L , Z 一定）輸送某種已定粘度油品時，一定）輸送某種已定粘度油品時，管路所需總壓頭（即壓頭損失）與流量的關系（管路所需總壓頭（即壓頭損失）與流量的關系（H-Q關關系）稱為管路工作特性。系）稱為管路工作特性。ZhDLQHmmm 52/ZhfLQm 2ZHQ層層流流區(qū)區(qū)過過渡渡區(qū)區(qū)紊流區(qū)紊流區(qū)QLJ輸油管道的工作特性曲線輸油管道的工作特性曲線輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失1、如何根據(jù)單根管路的特性曲線作出串、并聯(lián)管路的特性、如何根據(jù)單根管路的特性曲線作出串、并聯(lián)管路的特性 曲線？曲線？ 2、流量、流量Q變化會引起管路特性的變化嗎？為什么？變化會引起管路特性的變化嗎？

17、為什么？ 3、什么因素影響特性曲線起點的高低和陡緩？、什么因素影響特性曲線起點的高低和陡緩？ 輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失六、離心泵站與管路的聯(lián)合工作六、離心泵站與管路的聯(lián)合工作 確定泵站與管路的工作點的方法有兩種，即圖解法和解析法。確定泵站與管路的工作點的方法有兩種，即圖解法和解析法。 AHHAQAQ管路總特性曲線管路總特性曲線泵站總特性曲線泵站總特性曲線圖解法：圖解法：下面重點討論解析法。下面重點討論解析法。1、一個泵站的管道、一個泵站的管道 1122)(121ZZhhHHLccs 由斷面由斷面1-1到到2-2列能量方程有：列能量方程有：式中：式中：HS1泵的吸入壓力，為常數(shù)。泵的

18、吸入壓力，為常數(shù)。HC 泵站揚程泵站揚程 hc 站內(nèi)損失站內(nèi)損失 hL 沿程摩阻沿程摩阻 Z2-Z1起終點計算高差起終點計算高差 即：即： ZfLQhBQAHmcms 221mcsfLBhZAHQ 21mcBQAH 2輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失2、多泵站與管路的聯(lián)合工作、多泵站與管路的聯(lián)合工作 旁接油罐輸油方式（也叫開式流程）旁接油罐輸油方式（也叫開式流程） Q1 Q2 優(yōu)點優(yōu)點水擊危害小，對自動化水水擊危害小，對自動化水平要求不高。平要求不高。 缺點缺點 流程和設備復雜，固定資產(chǎn)投資大；流程和設備復雜，固定資產(chǎn)投資大；油氣損耗嚴重；油氣損耗嚴重； 全線難以在最優(yōu)工況下運行，能量浪費

19、大全線難以在最優(yōu)工況下運行，能量浪費大 。 工作特點工作特點每個泵站與其相應的站間管路各自構成獨立的水力系統(tǒng)每個泵站與其相應的站間管路各自構成獨立的水力系統(tǒng); 上下游站輸量可以不等（由旁接罐調(diào)節(jié)）；上下游站輸量可以不等（由旁接罐調(diào)節(jié)）； 各站的進出站壓力沒有直接聯(lián)系各站的進出站壓力沒有直接聯(lián)系 ； 站間輸量的求法與一個泵站的管道相同站間輸量的求法與一個泵站的管道相同 ：mjjsjjcjsjjfLBHZhAHQ 21Lj、Zj第第 j 站至第站至第 j 1 站間的計算長度和計算高差站間的計算長度和計算高差;Aj、Bj第第 j 站的站特性方程的系數(shù)；站的站特性方程的系數(shù)；式中：式中：輸油管道的壓能

20、損失輸油管道的壓能損失Hsj+1 第第j+1站的進站壓力。站的進站壓力。 密閉輸油方式（也叫泵到泵流程）密閉輸油方式（也叫泵到泵流程） QQ 優(yōu)點優(yōu)點 全線密閉，中間站不存在蒸發(fā)損耗；全線密閉，中間站不存在蒸發(fā)損耗； 流程簡單，固定資產(chǎn)投資小；流程簡單，固定資產(chǎn)投資?。?可全部利用上站剩余壓頭，便于實現(xiàn)優(yōu)化運行?？扇坷蒙险臼Ｓ鄩侯^，便于實現(xiàn)優(yōu)化運行。 缺點：缺點：要求自動化水平高，要有可靠的自動保護系統(tǒng)。要求自動化水平高，要有可靠的自動保護系統(tǒng)。 工作特點工作特點 全線為一個統(tǒng)一的水力系統(tǒng)，全線各站流量相同；全線為一個統(tǒng)一的水力系統(tǒng)，全線各站流量相同； 輸量由全線所有泵站和全線管路總特性決定；輸量由全線所有泵站和全線管路總特性決定； 設全線有設全線有n個泵站，各站特性相同，則輸量為：個泵站，各站特性相同，則輸量為：mjszcsfLnBHnhZHnAQ 21式中：式中： Lj為管道計算長度為管道計算長度 Z為管道計算高程差為管道計算高程差 輸油管道的壓能損失輸油管道的壓能損失Hsz為為末站進站壓力或翻越點的剩余壓力。末站進站壓力或翻越點的剩余壓力。各站進、出站壓力相互影響。各站進、出站壓力相互影響。 首站：首站： constHs 1ccsdhHHH 111第二站：第